基于虛擬仿真技術的藥學綜合實驗設計及開發(fā)

李文　胡芳弟　崔方

［摘 要］課程組針對藥學學科實驗教學中實驗設計單一、脫離藥品實際生產(chǎn)等問題，以參芪顆粒的生產(chǎn)關鍵環(huán)節(jié)和質量檢驗為基礎，設計相關藥學綜合性實驗。該實驗達到了綜合多個專業(yè)課程、多個實驗環(huán)節(jié)和多個實驗操作的目的。同時，課程組構建了虛擬仿真教學平臺，集成實驗背景介紹、虛擬實驗、操作示教、導向問題、實踐考核等多個模塊，應用于線下實驗教學。實體實驗教學和虛擬教學相結合，既能調動學生學習積極性，又能提高教學效率，對培養(yǎng)高素質的藥學人才具有積極的作用。

［關鍵詞］藥學綜合實驗；虛擬仿真技術；參芪顆粒

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0089-04

藥學實驗涉及不同類型的實驗操作及原理。傳統(tǒng)的實驗教學一般按理論課程設置，以基礎操作實驗為主，與實際生產(chǎn)和科研要求脫節(jié)，已經(jīng)不能滿足本科教學培養(yǎng)發(fā)展的需要[1]。綜合性實驗可將多門專業(yè)課程有機地結合起來，有助于培養(yǎng)高素質的創(chuàng)新人才，但是綜合性實驗開設需要大量經(jīng)費及實驗設備支持，耗時也較長。虛擬化實驗技術不受經(jīng)費、時間的限制，是對綜合性實驗的有益補充[2-3]。本研究以參芪顆粒為實驗載體，以提升藥學教學效果為目的，綜合多個實驗環(huán)節(jié)、實驗操作及實驗方法；同時利用虛擬仿真平臺集成實驗背景介紹、虛擬實驗、操作示教、導向問題、實踐考核等多個模塊，讓學生在有限的實驗條件下取得更多的實操經(jīng)驗，開闊學生的科研思路，激發(fā)學生的科研興趣[4-5]。

一、以參芪顆粒為實驗對象設計藥學綜合實驗的合理性

對于藥學實驗而言，好的研究對象是設計綜合實驗的前提。而中藥制劑的制備及分析涉及天然藥物化學、藥劑學、藥物分析學、分析化學及儀器分析等多個學科[6]。雖然在綜合性院校，藥學類實驗主要以西藥為實驗載體，但是隨著我國對中藥發(fā)展的重視[7-9]，藥學專業(yè)學生應該注重通過中藥類綜合性實驗快速熟悉中藥生產(chǎn)、分析的全過程。為了完成本實驗，學生需要對中藥制劑的全過程進行系統(tǒng)的實踐操作，其中提取分析、制劑工藝、樣品分析實驗在整個藥學培養(yǎng)體系中又具有普適性，藥學專業(yè)的學生能將天然藥物化學、藥物制劑、藥物分析、儀器分析等理論知識快速地應用到綜合實驗中。

參芪顆粒其由黃芪和黨參組成，黃芪和黨參是中藥大品種，是極好的學習中藥概念及現(xiàn)狀的載體[10-11]。據(jù)藥智網(wǎng)統(tǒng)計，在藥品名稱中直接含有“黃芪”的有60多種，黨參作為補益藥，除作為藥用外，日常生活中也常常作為煲湯等食補原料，每年的產(chǎn)量達到60萬噸[12]。因此，以參芪顆粒為研究對象設計藥學綜合實驗可以幫助學生整體認識中藥及其制劑，幫助學生進一步了解所學專業(yè)課程的關聯(lián)性，提高分析與解決問題的綜合能力，并能快速地應用到工作實際中。

二、“參芪顆粒的制備及質量檢測”藥學綜合實驗的設計思路

（一）實驗框架設計

該綜合實驗打破以往各門課程每周一次的實驗安排，以2～4周為實驗單元，學生需要連續(xù)完成實驗，環(huán)環(huán)相扣。

實驗開始之前要求教師以問題為導向，回顧理論內容。例如在實驗預習階段要求學生查閱道地藥材的概念、黨參及黃芪的生藥學特征；在學習參芪顆粒劑浸膏提取工藝之前，要求學生復習天然藥物化學的提取方法等。這些內容預習與實驗目的重合，也是對整體藥學實驗的貫通，同時可以為具體實驗操作奠定基礎。

實驗過程中首先由實驗教師講解綜合性實驗原理和目的意義，并且介紹實驗室所具備的實驗條件和設備。在實驗中容易出現(xiàn)前置實驗完成不好，進而影響后續(xù)實驗的情況，因此實驗教師還需要提前準備每一階段實驗的產(chǎn)品（如浸膏提取物、參芪顆粒劑等），以防止由于前置實驗的失敗對后續(xù)實驗的影響。當然，在實驗的考核中要區(qū)別獨立完成實驗和需要教師提供幫助的學生的成績，這樣既可以避免打擊學生的自信心，也可以提高學生獨立完成實驗的積極性。實驗進行中帶教教師應規(guī)范學生的實驗操作，指導學生解決疑難問題，要求學生做好實驗數(shù)據(jù)的原始記錄。

實驗結束后，要求每組學生制作PPT，介紹自己組的實驗過程和實驗結果，回答指導教師和其他組學生的提問。為了公正客觀、真實有效地評定學生的實驗成績，實驗考核應該貫穿教學的全過程、有量化指標，這樣有利于全面客觀地評價學生的綜合實踐能力。

（二）實驗指導設計

綜合性實驗指導包括對實驗目的、實驗背景、實驗原理、實驗操作步驟、思考題進行指導。其中，實驗目的主要體現(xiàn)對學生的要求，例如要求學生掌握參芪顆粒的制備方法及注意事項等；實驗背景主要介紹道地藥材概念、中藥顆粒劑、參芪顆粒的臨床及質量標準；實驗原理包括各種操作參數(shù)選擇的依據(jù)及實驗注意事項，例如制軟材的程度以“手握成團，輕壓即散”為宜，如軟材的程度不符合規(guī)定時，可加入適當濃度的乙醇調整；實驗操作步驟包括參芪提取工藝實驗操作、制劑工藝實驗操作、顆粒劑的質量檢查實驗操作、鑒別用樣品制備實驗操作、硅膠薄層板制備操作、薄層鑒別實驗操作、HPLC法測定參芪顆粒中毛蕊異黃酮、芒柄花素的含量實驗操作，如圖1所示。

三、虛擬仿真技術在“參芪顆粒的制備及質量檢測”藥學綜合實驗中的應用

（一）虛擬仿真技術在藥學實驗使用中的優(yōu)勢

建立虛擬實驗室的成本及后期投入較低，不需要購買實際的儀器設備，尤其是一些高檔次、高價位的儀器設備，在實驗過程中也不必擔心儀器設備的損壞、丟失等，避免了一些投入高、利用率低的實驗開不出來的情況，不影響學生的學習興趣。目前，藥學實驗教學大多采用傳統(tǒng)的講授法，占用了大量的實驗課程時間。部分學生由于課前不預習或種種原因而造成實驗失敗，受時間的限制又不可能重做，使得他們產(chǎn)生了消極對待實驗的念頭。此外，由于教學成本及時間原因，教學實驗一般選擇成本較低的實驗及2～6小時為單元的實驗，實驗的整體性和連續(xù)性不能保證。而虛擬仿真技術可以將實驗原理、操作以動畫形式展示，還可以集背景介紹、操作示教、導向問題、虛擬實驗、實踐考核等多種教學手段于一體，比傳統(tǒng)教學更生動、更科學。虛擬仿真平臺示教環(huán)節(jié)大大節(jié)約了傳統(tǒng)示教時間，同時以問題為導向，提示學生在操作中的關鍵節(jié)點，例如針對薄層色譜鋪制操作設置問題：硅膠薄層板制備需要的材料有哪些？讓學生從多個實驗材料中選擇，選擇正確的進入下一示教環(huán)節(jié)，選擇錯誤的提示正確答案，再進入下一環(huán)節(jié)。這樣可以避免“教師講授完，學生忘記完”的尷尬情況。

虛擬實驗室具有開放性、靈活互動性和資源共享性。在綜合實驗進行過程中，學生可以隨時進入虛擬仿真平臺，這樣就相當于教師隨時在指導學生。學生進行實驗的過程可以像玩電子游戲一樣，用鼠標去控制實驗，可以一邊改變實驗條件，一邊觀察實驗結果，也可以任意放慢或加快實驗過程，看到在傳統(tǒng)實驗中看不到的變化過程。此外，虛擬仿真實驗在具體實施中具有靈活性，不同學校根據(jù)教學經(jīng)費不同，既可以將其作為演示教學，也可以作為實驗教學輔助手段。

（二）基于虛擬仿真技術的藥學綜合實驗“參芪顆粒的制備及質量檢測”的設計

設計分為四個方面，如圖2所示：（1）原理操作模擬化。將大孔吸附樹脂、薄層掃描含量測定方法原理及HPLC原理用動畫模擬方法展現(xiàn)。（2）操作視頻化。視頻設計中只選取操作關鍵階段，例如鑒別用樣品制備實驗中的超聲、抽濾、蒸餾、萃取、柱層析、定容等操作展示。（3）背景知識及注意事項嵌入化。在虛擬平臺首先展示黨參和黃芪種植區(qū)域視頻，讓學生直觀看到藥材種植情況，同時輔助加入道地藥材等的解說詞和字幕；每個操作視頻結束后跳出說明，提示上述操作需要注意的事項，例如提示學生用溶劑提取藥材時，要注意提取溶劑，如果是有機溶劑必須使用有回流功能的提取裝置。（4）平臺考核問題化。針對每個環(huán)節(jié)設置相關考核問題，借鑒MOOC模式，問題統(tǒng)一使用選擇題，問題包括實驗操作的安全性、注意事項、擬選擇儀器溶劑、操作的規(guī)范性等。

（三）虛擬仿真實驗上線

目前該實驗已經(jīng)實現(xiàn)上線，資源共享，網(wǎng)址為：http：//www.mengoo.com/VirLab/html5/smkl/index.html。其界面如圖3所示，分為實驗目的、實驗原理、實驗視頻和思考題，其中“開始實驗”為虛擬實驗窗口，學生在此窗口要按照虛擬實驗步驟完成虛擬實驗過程，如圖4所示。此外，“實驗視頻”還提供教師示教。

四、結論和展望

（一）線上虛擬仿真實驗與線下綜合實驗相結合

本項目與“藥學綜合訓練”實體教學相結合，既可以充分發(fā)揮虛擬仿真實驗技術的優(yōu)勢，促進學生將專業(yè)知識和操作技能融會貫通，又可以提高學生在進行真實實驗時的教學效果及實驗效率。虛擬仿真實驗在網(wǎng)上開放可滿足不同類型學生的需求，通過模擬、線上示教等虛擬手段，與真實實驗相結合，從而全面培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，達到提高實驗教學水平的目的。

（二）學生自主學習與平臺視頻示教相結合

傳統(tǒng)的教學模式因為空間的限制，會影響視覺效果，平臺視頻示教彌補了傳統(tǒng)教學方式的不足，學生對實驗過程一目了然，調動了學生的學習積極性，激發(fā)了學生的學習興趣。同時，視頻可以遠程示教，可以實現(xiàn)資源共享，解決了部分院校教學資源不足的問題。

（三）整合式學習與通關式考核相結合

通過本實驗學生可以綜合掌握天然藥物化學、藥物分析學、藥物制劑學、分析化學、儀器分析理論知識，綜合多種實驗操作方法，綜合多種分析檢驗項目進行實驗。為了配合學習，在不同實驗結束后設置一個問題，以鞏固學生對理論知識、實驗技巧等的掌握，并檢驗學生的學習情況，學生回答問題后才能進入下一個實驗學習。在考核方式上，采用虛擬平臺學習成績、實驗操作技能、最終實驗報告“1+1+1”的模式，能鼓勵學生充分利用虛擬平臺學習，增強了學生學習的能動性。

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［責任編輯：鐘 嵐］